RU2749366C1 - Пакер гидравлический - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может использоваться при строительстве скважин для разобщения пластов. Пакер гидравлический содержит ствол в виде трубы, оснащенный верхним и нижним переводниками. На стволе под верхним переводником установлен уплотнительный элемент из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра с верхним и нижним фигурными концевыми участками. Неподвижность уплотнительного элемента на стволе обеспечена неподвижными наружными и внутренними верхними и нижними стаканами, взаимодействующими с концевыми фигурными участками. Противоэкструзионная защита уплотнительного элемента включает пластически деформируемые разжимные втулки, установленные в расточках наружных стаканов, внахлест охватывающие концевые участки уплотнительного элемента и взаимодействующие с его кольцевым цилиндром. В стенке ствола под нижним наружным стаканом выполнено основное сквозное боковое отверстие, ниже которого выполнены несколько дополнительных сквозных боковых отверстий, равномерно расположенных по окружности в одной диаметральной плоскости. Клапанный узел выполнен в виде взаимодействующих между собой верхней и нижней ступенчатых втулок, подвижно установленных на стволе. По образующей на наружной поверхности ствола выполнен канал в виде продольного паза, гидравлически связывающий полость уплотнительного элемента с клапанным узлом. Ступени втулок клапанного узла, выполненные в виде расточек, образуют верхнюю, среднюю и нижнюю кольцевые камеры. При этом верхняя ступень верхней втулки клапанного узла соединена срезным винтом с проточкой нижнего наружного стакана, а нижняя ступень нижней втулки соединена срезным винтом с проточкой нижнего переводника. Уплотнительные кольца герметизируют подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей устройства и повышении надежности его работы, исключающей возникновение аварийной ситуации. 5 ил.

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может использоваться при строительстве скважин для разобщения пластов.

Известен «Пакер» (патент РФ №2029064, Е21В 33/12, опубл. 20.02.1995.), выбранный в качестве аналога и содержащий

• составной полый корпус, включающий ствол в виде внутренней трубы и неподвижно соединенный с ним в нижней части наружный корпус,

• сквозное боковое отверстие, выполненное в стенке ствола, перекрытое в исходном положении пробкой,

• подвижную втулку с разрушаемыми упорными элементами, установленную внутри ствола и перекрывающую сквозное боковое отверстие, выполненное в стенке ствола, при этом втулка соединена со стволом срезным штифтом,

• клапанный узел, расположенный в стенке наружного корпуса над сквозным боковым отверстием,

• уплотнительный элемент из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра с верхним и нижним концевыми участками, неподвижно установленный с кольцевым зазором на стволе над клапанным узлом,

• элементы фиксации уплотнительного элемента на стволе в виде наружных и внутренних обойм, армирующих концевые участки, при этом внутренняя обойма выполнена в виде ступенчатой втулки и установлена на стволе, а ее большая ступень размещена в расточке, выполненной в наружном корпусе,

• и образует камеру, сообщающуюся с кольцевым зазором уплотнительного элемента через сообщающий канал, выполненный на наружной поверхности ствола, а с полостью ствола через канал клапанного узла, боковое отверстие, выполненное в стенке наружного корпуса, проточку, выполненную на стволе и сквозное боковое отверстие ствола,

• жидкость, заполняющую полости и каналы от пробки в сквозном боковом отверстии до кольцевого зазора под уплотнительным элементом,

• причем разрушаемые элементы подвижной втулки выполнены в виде отрезков проволоки или троса, концы которых закреплены во внутренней стенке втулки в плоскости, перпендикулярной оси корпуса пакера,

• уплотнительные элементы, герметизирующие неподвижные соединения деталей.

К недостаткам известного пакера следует отнести его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что клапанный узел расположен в стенке наружного корпуса. Учитывая ограниченность диаметральных габаритов ствола скважины, конструктивно размещение клапанного узла, содержащего несколько деталей, можно осуществить только за счет увеличения толщины стенки наружного корпуса и, соответственно, уменьшения проходного отверстия ствола, что может не обеспечить его равнопроходности с обсадной колонной и ограничить наружный диаметр скважинных инструментов, спускаемых при эксплуатации или ремонте скважины, например лифтовых труб или насоса, в результате чего из-за снижения пропускной способности этого оборудования производительность (дебит) скважины будет уменьшена.

Кроме того, размещение клапанного узла в стенке наружного корпуса снижает технологичность изготовления известного пакера, поскольку требует сверления значительного по длине продольного отверстия к расточке, в которой установлен клапан, а также радиального отверстия изнутри полости наружного корпуса.

Другим обстоятельством, ограничивающим эксплуатационные возможности известного пакера, может являться отсутствие противоэкструзионной защиты на концевых участках уплотнительного элемента, предотвращающей его выдавливание в кольцевой зазор между поверхностью наружной обоймы и стенкой скважины. Это связано с текучестью эластомерного материала, который при нагнетании под давлением жидкости в полость кольцевого цилиндра при расширении последнего может деформироваться и выдавливаться в кольцевой зазор. В результате этого в стенке кольцевого цилиндра из-за низкой прочности эластомерного материала могут возникнуть разрывы, что может привести к разрушению уплотнительного элемента и потере работоспособности известного пакера. При этом процесс одностороннего выдавливания на одном из концевых участков уплотнительного элемента может усилиться при возникновении значительного перепада давления, например, при проведении гидроразрыва, что накладывает ограничение на величину допускаемого давления для известного пакера в процессе работы.

Кроме того, конструкция известного пакера не обеспечивает предотвращения аварийной ситуации в случае порыва уплотнительного элемента при спуске пакера в скважину, например на участках набора кривизны, где уплотнительный элемент может контактировать со стенкой скважины и в результате абразивного износа из-за трения потерять герметичность.

Возникновение аварийной ситуации обусловлено тем, что при подготовке пакера к срабатыванию после окончания процесса цементирования скважины и снятия давления в цементировочной головке жидкость из камеры под действием надпакерного столба цементного раствора от давления уплотнительного элемента, вытесняемая через сообщающие каналы, отверстия, клапанный узел, его каналы и сквозное боковое отверстие, должна вытолкнуть пробку в полость ствола и гидравлически сообщить полость скважины с полостью ствола.

Тем самым, в случае негерметичности уплотнительного элемента цементный раствор из скважины ввиду его гораздо большей плотности по сравнению с буровым раствором внутри обсадной колонны и, соответственно, образовывая в интервале установки пакера гораздо большее давление по сравнению с давлением от бурового раствора внутри обсадной колонны в этом же интервале, будет беспрепятственно проникать в полость ствола и, соответственно, внутрь обсадной колонны, причем на поверхности этот факт будет зарегистрирован не сразу, а только после обнаружения перелива бурового раствора. За это время некоторый объем цементного раствора, проникнув в полость пакера, ввиду своей плотности будет опускаться в буровом растворе внутри обсадной колонны ниже известного пакера до цементировочной пробки, где может затвердеть.

Включение насоса для активации пакера за счет повышения давления будет перемещать буровой раствор через сквозное боковое отверстие ствола, каналы, клапанный узел и камеру в кольцевой зазор между уплотнительным элементом и стволом, но ввиду негерметичности уплотнительного элемента последний не будет расширяться и процесс пакеровки не произойдет, поскольку буровой раствор будет изливаться в скважину. Тем самым, на скважине возникнет аварийная ситуация, ликвидация которой потребует временных и материальных затрат на разбуривание застывшего столба цементного раствора над цементировочной пробкой и ремонтно-изоляционных работ по ликвидации негерметичности обсадной колонны в интервале установки пакера.

Кроме того, смешивание бурового раствора в заколонном пространстве с цементным раствором может негативно повлиять на качество цементирования скважины в интервале установки известного пакера, что не обеспечит надежного разобщения пластов и будет способствовать межпластовым перетокам.

Известен «Пакер гидравлический проходной с малогабаритным клапанным узлом» (патент РФ на полезную модель №98041, Е21В 33/12, опубл. 27.09.2010.), выбранный в качестве прототипа и содержащий

• составной полый корпус, включающий ствол в виде внутренней трубы и неподвижно соединенный с ним в нижней части наружный корпус,

• верхний переводник, соединенный со стволом, и нижний переводник, соединенный с наружным корпусом,

• сквозное боковое отверстие, выполненное в стенке наружного корпуса, перекрытое в исходном положении пробкой и поршнем,

• подвижную втулку с разрушаемыми упорными элементами, установленную в расточке нижнего переводника и перекрывающую сквозное боковое отверстие, выполненное в стенке наружного корпуса, при этом втулка соединена с нижним переводником срезным винтом,

• клапанный узел, расположенный в стенке наружного корпуса над сквозным боковым отверстием и гидравлически связанный с последним,

• уплотнительный элемент из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра с верхним и нижним концевыми фигурными участками, неподвижно установленный на стволе над наружным корпусом,

• элементы фиксации уплотнительного элемента на стволе в виде верхнего и нижнего стаканов, обжимающих концевые фигурные участки и имеющих возможность продольного перемещения относительно ствола,

• противоэкструзионную защиту уплотнительного элемента в виде пластически деформируемых разжимных втулок, внахлест охватывающих верхний и нижний концевые участки уплотнительного элемента и взаимодействующих с его кольцевым цилиндром,

• каналы, выполненные в виде продольного паза на наружной поверхности ствола и гидравлически связывающие полость уплотнительного элемента с клапанным узлом,

• уплотнительные элементы в виде колец, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей.

Известный пакер обладает сходным недостатком, т.е. ограниченными эксплуатационными возможностями, присущими аналогу, обусловленным аналогичной причиной, т.е. тем, что клапанный узел расположен в стенке наружного корпуса. Учитывая ограниченность диаметральных габаритов ствола скважины, конструктивно размещение клапанного узла, содержащего несколько деталей, можно осуществить только за счет увеличения толщины стенки наружного корпуса и, соответственно, уменьшения проходного отверстия ствола, что может не обеспечить его равнопроходности с обсадной колонной и ограничить наружный диаметр скважинных инструментов, спускаемых при эксплуатации или ремонте скважины, например лифтовых труб или насоса, в результате чего из-за снижения пропускной способности этого оборудования производительность (дебит) скважины будет уменьшена.

Кроме того, конструкция известного пакера не обеспечивает предотвращения аварийной ситуации в случае порыва уплотнительного элемента при спуске пакера в скважину, например на участках набора кривизны, где уплотнительный элемент может контактировать со стенкой скважины и в результате абразивного износа из-за трения потерять герметичность. Поэтому при подготовке пакера к срабатыванию после окончания процесса цементирования скважины и снятия давления внутри обсадной колонны и, соответственно, пакера, когда под действием надпакерного столба цементного раствора от наружного давления поршень должен выдавить пробку внутрь пакера и обеспечить соединение клапанного узла с каналом обсадной колонны, одновременно будет происходить процесс беспрепятственного перетекания цементного раствора через негерметичность уплотнительного элемента, каналы, клапанный узел и сквозное боковое отверстие в полость пакера.

На поверхности этот факт будет зарегистрирован не сразу, а только после обнаружения перелива бурового раствора. За это время некоторый объем цементного раствора, проникнув в полость пакера, ввиду своей плотности будет опускаться в буровом растворе внутри обсадной колонны ниже известного пакера до цементировочной пробки, где может затвердеть.

Включение насоса для активации пакера за счет повышения давления будет перемещать буровой раствор через сквозное боковое отверстие, клапанный узел и каналы в кольцевой зазор между уплотнительным элементом и стволом, но ввиду негерметичности уплотнительного элемента последний не будет расширяться и процесс пакеровки не произойдет, поскольку буровой раствор будет изливаться в скважину. Учитывая, что расширение уплотнительного элемента регистрируется на поверхности повышением давления, которое не будет возрастать из-за перелива бурового раствора в полость скважины, на поверхности через некоторое время отключат насос. Однако при этом переход клапанного узла в закрытое положение не произойдет, ввиду того, что в уплотнительном элементе из-за его негерметичности не будет создано избыточное давление, в результате чего полость пакера, а, следовательно, и обсадной колонны будет гидравлически сообщена с полостью скважины.

Тем самым, на скважине возникнет аварийная ситуация, ликвидация которой потребует временных и материальных затрат на разбуривание застывшего столба цементного раствора над цементировочной пробкой и ремонтно-изоляционных работ по ликвидации негерметичности обсадной колонны в интервале установки пакера.

Кроме того, смешивание бурового раствора в заколонном пространстве с цементным раствором может негативно повлиять на качество цементирования скважины в интервале установки известного пакера, что не обеспечит надежного разобщения пластов и будет способствовать межпластовым перетокам.

Задачей изобретения является создание технического решения пакера гидравлического, лишенного недостатков аналога и прототипа.

Техническим результатом решения этой задачи является расширение эксплуатационных возможностей заявляемого пакера и повышение надежности его работы, исключающей возникновение аварийной ситуации.

Для обеспечения этих результатов известный гидравлический пакер, содержащий

• ствол в виде трубы, оснащенный верхним и нижним переводниками,

• уплотнительный элемент из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра с верхним и нижним фигурными концевыми участками, неподвижно установленный на стволе под верхним переводником,

• элементы фиксации уплотнительного элемента на стволе в виде наружных и внутренних верхнего и нижнего стаканов, установленных на стволе и взаимодействующих с концевыми фигурными участками,

• противоэкструзионную защиту уплотнительного элемента в виде пластически деформируемых разжимных втулок, установленных в расточках наружных стаканов, внахлест охватывающих верхний и нижний концевые участки уплотнительного элемента и взаимодействующих с его кольцевым цилиндром,

• основное сквозное боковое отверстие диаметром d, выполненное в стенке ствола под нижним стаканом,

• клапанный узел, перекрывающий основное сквозное боковое отверстие,

• канал, выполненный в виде продольного паза по образующей на наружной поверхности ствола и гидравлически связывающий полость уплотнительного элемента с клапанным узлом,

• уплотнительные кольца, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

• наружные и внутренние верхние и нижние стаканы установлены на стволе без возможности продольного перемещения,

• в стенке ствола ниже основного сквозного бокового отверстия выполнены несколько дополнительных сквозных боковых отверстий диаметром d, равномерно расположенных по окружности в одной диаметральной плоскости,

• клапанный узел выполнен в виде взаимодействующих между собой верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок,

• верхняя из которых установлена на стволе с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит три ступени в виде расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом

• верхняя ступень с расточкой диаметром D₁ взаимодействует с проточкой, выполненной на нижнем неподвижном стакане, и образует верхнюю кольцевую камеру длиной L₂, расположенную над каналом, выполненным в виде продольного паза на наружной поверхности ствола,

• средняя ступень длиной L₃ с расточкой диаметром D₂ взаимодействует с проточкой, выполненной на стволе, при этом в расточке выполнена кольцевая канавка, в которой установлено уплотнительное кольцо,

• в нижней ступени выполнена расточка диаметром D₃ длиной L₄,

• нижняя втулка установлена на стволе с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит три ступени в виде одной проточки и двух расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом

• на верхней ступени выполнена проточка длиной L₄, установленная в расточке диаметром D₃ нижней ступени верхней втулки, и расточка диаметром D₄ и длиной L₄, образующая среднюю кольцевую камеру, расположенную над проточкой ствола диаметром D₂,

• средняя ступень длиной L₄ с расточкой диаметром D₂ взаимодействует с проточкой, выполненной на стволе, причем в верхней и нижней частях расточки выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, при этом верхняя кромка уступа расточки расположена под основным сквозным боковым отверстием, а нижняя кромка уступа расточки расположена над дополнительными сквозными боковыми отверстиями,

• в нижней ступени выполнена расточка диаметром D₅, взаимодействующая с проточкой, выполненной на нижнем переводнике и образующая с ним, а также с проточкой, выполненной на стволе, и торцом средней ступени нижнюю кольцевую камеру, при этом на расстоянии L₅ от нижнего торца ступени на проточке диаметром D₅ нижнего переводника выполнена кольцевая канавка шириной b, в которой установлено предварительно сжатое упруго деформируемое металлическое кольцо,

• причем верхняя ступень верхней втулки соединена срезным винтом с проточкой диаметром D₁ нижнего наружного стакана, а нижняя ступень нижней втулки соединена срезным штифтом с проточкой диаметром D₅ нижнего переводника,

• при этом диаметры расточек ступеней верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок связаны между собой соотношением:

• а величина перемещения L₁ верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок, длина L₂ верхней кольцевой камеры, длина L₃ средней ступени верхней втулки, длина L₄ проточки верхней ступени нижней втулки и расточек нижней ступени верхней втулки и средней ступени нижней втулки, длина расстояния L₅ и ширина b кольцевой канавки, выполненной на проточке диаметром D₅ нижнего переводника связаны между собой соотношениями:

• причем давление активации Ра, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки пакера, диаметры D₁ и D₂ расточек ступеней верхней втулки и усилие среза F₁ винтов, соединяющих верхнюю ступень верхней втулки с проточкой нижнего стакана, связаны между собой соотношением:

• давление пакеровки Рп, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки пакера, диаметр D₃ проточки, диаметры D₂ и D₅ расточек ступеней нижней втулки и усилие среза F₂ винтов, соединяющих нижнюю ступень нижней втулки с проточкой нижнего переводника, связаны между собой соотношением:

• а усилие среза F₁ винтов, соединяющих верхнюю ступень верхней втулки с проточкой нижнего стакана и усилие среза F₂ винтов, соединяющих нижнюю ступень нижней втулки с проточкой нижнего переводника, связаны между собой соотношением:

Изобретение поясняется чертежами, где:

• на фиг. 1 изображен заявляемый пакер в исходном (транспортном) положении;

• на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1;

• на фиг. 3 изображен заявляемый пакер в положении активации;

• на фиг. 4 изображен заявляемый пакер в рабочем положении (пакеровки);

• на фиг. 5 изображен заявляемый пакер в рабочем положении при негерметичном уплотнительном элементе.

Заявляемый пакер (фиг. 1) содержит ствол 1 в виде трубы с полостью 2 и соединенные с ним верхний 3 и нижний 4 переводники. На стволе 1 установлен уплотнительный элемент 5 из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра 6 с верхним 7 и нижним 8 фигурными концевыми участками. Неподвижность уплотнительного элемента 5 на стволе 1 обеспечивается элементами фиксации в виде неподвижных относительно ствола 1 верхнего наружного 9 и нижнего наружного 10 стаканов и внутренних верхнего 11 и нижнего 12 стаканов, взаимодействующих с концевыми фигурными участками 7 и 8, благодаря чему исключаются продольные перемещения уплотнительного элемента 5 относительно ствола 1, чем обеспечивается работоспособность уплотнительного элемента 5.

Противоэкструзионная защита уплотнительного элемента 5 включает верхнюю 13 и нижнюю 14 пластически деформируемые втулки, установленные в расточках наружных стаканов 9 и 10, внахлест охватывающие верхний 7 и нижний 8 концевые участки и взаимодействующие с его кольцевым цилиндром 6.

В стенке ствола 1 под нижним наружным стаканом 10 выполнено основное сквозное боковое отверстие 15 диаметром d, ниже которого в стенке ствола 1 выполнены несколько дополнительных сквозных боковых отверстий 16 диаметром d, равномерно расположенных по окружности в одной диаметральной плоскости.

Клапанный узел 17 выполнен в виде взаимодействующих между собой верхней 18 и нижней 19 подвижных ступенчатых втулок, верхняя 18 из которых установлена на стволе 1 с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит 3 ступени в виде расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом:

• верхняя ступень 20 с расточкой 21 диаметром D₁ взаимодействует с проточкой 22, выполненной на нижнем стакане 10, и образует верхнюю кольцевую камеру 23 длиной L₂, расположенную над каналом 24, выполненным в виде продольного паза по образующей на наружной поверхности ствола 1 и обеспечивающим гидравлическую связь полости уплотнительного элемента 5 с полостью 2 (на фиг. 2);

• основное сквозное боковое отверстие 15 обеспечивает гидравлическую связь полости 2 с верхней кольцевой камерой 23;

• средняя ступень 25 длиной L₃ с расточкой 26 диаметром D₂ взаимодействует с проточкой 27, выполненной на стволе 1, при этом в расточке выполнена кольцевая канавка, в которой установлено уплотнительное кольцо 28;

• в нижней ступени 29 выполнена расточка 30 диаметром D₃ длиной L₄.

Нижняя втулка 19 клапанного узла 17 установлена на стволе 1 с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит 3 ступени в виде одной проточки и двух расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом:

• на верхней ступени 31 выполнена проточка 32 длиной L₄, которая установлена в расточке 30 диаметром D₃ нижней ступени 29 верхней втулки 18, и расточка 33 диаметром D₄ и длиной L₄, образующая среднюю кольцевую камеру 34, расположенную над проточкой 27 ствола 1 диаметром D₂;

• средняя ступень 35 длиной L₄ с расточкой 36 диаметром D₂ взаимодействует с проточкой 27, выполненной на стволе 1, причем в верхней и нижней частях расточки 36 выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца 37 и 38, при этом верхняя кромка 39 торца расточки 36 расположена под основным сквозным боковым отверстием 15, а нижняя кромка 40 уступа расточки 36 расположена над дополнительными сквозными боковыми отверстиями 16;

• в нижней ступени 41 выполнена расточка 42 диаметром D₅, взаимодействующая с проточкой 43, выполненной на нижнем переводнике 4, при этом на расстоянии L₅ от нижнего торца 44 ступени 41 на проточке 43 диаметром D₅ нижнего переводника 4 выполнена кольцевая канавка 45 шириной b, в которой установлено предварительно сжатое упруго деформируемое металлическое кольцо 46.

Конструктивное исполнение клапанного узла 17 в виде двух ступенчатых втулок 18 и 19, подвижно установленных на стволе 1, более оптимально по диаметральным габаритам по сравнению с исполнением клапанных узлов аналога и прототипа, где взаимодействующие детали клапанных узлов расположены в стенке корпусных деталей, что требует как минимизации размеров этих деталей, так и увеличения толщины их стенок. Минимизация размеров деталей влечет за собой снижение надежности их работы, а увеличение толщины стенок корпусных деталей ограничивает эксплуатационные возможности ввиду уменьшения проходного отверстия ствола.

Верхняя ступень 20 верхней втулки 18 соединена срезным винтом 47 с проточкой 22 диаметром D₁ нижнего стакана 10, а нижняя ступень 41 нижней втулки 19 соединена срезным винтом 48 с проточкой 43 диаметром D₅ нижнего переводника 4.

В транспортном положении верхняя кольцевая камера 23 и гидравлический канал 24 заполнены жидкостью. Уплотнительные кольца 28, 37, 38, 49, 50, 51, 52 и 53 герметизируют подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей пакера.

Дополнительные сквозные боковые отверстия 16 обеспечивает гидравлическую связь полости 2 с нижней кольцевой камерой 54, образованной расточкой 42 нижней ступени 41 нижней втулки 19, нижним переводником 4, проточкой 27 ствола 1 и торцом средней ступени 35 нижней втулки 19.

Геометрические размеры ширины и глубины канала 24 и его длина создают гидродинамическое сопротивление перемещению бурового раствора из верхней камеры 23 в полость уплотнительного элемента 5, что повышает давление бурового раствора в средней 34 и нижней 54 кольцевых камерах при его нагнетании со значительной производительностью. Аналогично, наличие одного основного сквозного бокового отверстия 15 диаметром d также создает гидродинамическое сопротивление перемещению бурового раствора из полости 2 в среднюю кольцевую камеру 34, причем большее по сравнению с гидродинамическим сопротивлением перемещению бурового раствора из полости 2 в нижнюю кольцевую камеру 54 благодаря наличию нескольких дополнительных сквозных боковых отверстий 16 диаметром d.

Диаметры расточек 21, 26, 30, 33 и 42 ступеней верхней 18 и нижней 19 подвижных ступенчатых втулок клапанного узла 17 связаны между собой соотношением:

Величина перемещения L₁ верхней 18 и нижней 19 подвижных ступенчатых втулок, длина L₂ верхней кольцевой камеры 23, длина L₃ средней ступени 25 верхней втулки 18, длина L₄ проточки 32 верхней ступени 31 нижней втулки 19, расточки 30 нижней ступени 29 верхней втулки 18 и расточки 36 средней ступени 35 нижней втулки 19, длина расстояния L₅ и ширина b кольцевой канавки 45, выполненной на проточке 43 диаметром D₅ нижнего переводника 4 связаны между собой соотношениями:

Давление активации Ра, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки заявляемого пакера, диаметры D₁ и D₂ расточек 21 и 26 ступеней верхней втулки 18 и усилие среза F₁ винтов 47, соединяющих верхнюю ступень 20 верхней втулки 18 с проточкой 22 нижнего стакана 10, связаны между собой соотношением:

а давление пакеровки Рп, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки заявляемого пакера, диаметр D₃ проточки 32, диаметры D₂ и D₅ расточек 36 и 42 ступеней нижней втулки 19 и усилие среза F₂ винтов 48, соединяющих нижнюю ступень 41 нижней втулки 19 с проточкой 43 нижнего переводника 4, связаны между собой соотношением:

а усилие среза F₁ винтов, соединяющих верхнюю ступень 20 верхней втулки 18 с проточкой 22 нижнего стакана 10 и усилие среза F₂ винтов, соединяющих нижнюю ступень 41 нижней втулки 19 с проточкой 43 нижнего переводника 4, связаны между собой соотношением:

Заявляемый пакер работает следующим образом.

В исходном (транспортном) положении, показанном на фиг. 1, пакер на трубах (не показаны) в составе обсадной колонны спускают в ствол скважины 55. При спуске заполнение полости 2 ствола 1 буровым раствором из скважины 55 производится через нижерасположенные трубы обсадной колонны. При этом поступление раствора в верхнюю кольцевую камеру 23 и канал 24 предотвращается уплотнительными кольцами 28 и 52, а перемещение втулок 18 и 19 клапанного узла 17 предотвращается срезными винтами 47 и 48, что обеспечивает возможность циркуляции раствора через обсадную колонну без активации заявляемого пакера.

Заполнение средней 34 и нижней 54 кольцевых камер буровым раствором из полости 2 осуществляется через основное 15 и дополнительные 16 сквозные боковые отверстия.

После спуска пакера в заданный интервал в обсадную колонну труб спускают цементировочную пробку (не показана) и включают насос для нагнетания раствора, от воздействия давления которого цементировочная пробка смещается вниз до посадки на стоп-кольцо, перекрывая циркуляцию раствора через обсадную колонну.

При повышении давления в полости 2 до величины давления активации Ра произойдет срез винтов 47 и втулка 18 переместится вверх на величину L₁, в результате чего средняя ступень 25 расположится над каналом 24, обеспечив его гидравлическую связь через верхнюю кольцевую камеру 23 с полостью 2, благодаря чему буровой раствор начнет поступать в полость уплотнительного элемента 5, расширяя его и активируя пакер (фиг. 3).

Гарантированное расположение средней ступени 25 над каналом 24 обеспечивается благодаря соотношению [2], при котором после перемещения втулки 18 на величину L₁ средняя ступень 25 разместится в средней части длины верхней кольцевой камеры 23.

Кроме того работоспособность верхней втулки 18 обеспечивается неподвижностью нижнего наружного стакана 10 относительно ствола 1.

Срез винтов 47 и перемещение втулки 18 будет осуществляться в результате воздействия давления активации Ра на кольцевую площадь Sa в верхней кольцевой камере 23, образованную по соотношению [1] разницей размеров диаметров и D₂ расточек 21 и 26 ступеней втулки 18 благодаря чему по соотношению [4] возникает усилие Fa, равное:

и превышающее F₁, что обеспечит срез винтов 47 и перемещение втулки 18 вверх.

По мере нагнетания раствора в обсадную колонну его давление будет возрастать, уплотнительный элемент 5 будет расширяться и при достижении давления величины Рп войдет в контакт со стенкой скважины 55, обеспечивая герметичное перекрытие ее ствола в зоне установки заявляемого пакера (фиг. 4).

Одновременно буровой раствор из полости 2 через дополнительные сквозные боковые отверстия 16 будет поступать в нижнюю кольцевую камеру 54, воздействуя давлением пакеровки Рп на кольцевую площадь Sп, образованную по соотношению [1] разницей размеров диаметров D₅ и D₂ расточек 43 и 36 ступеней втулки 19, благодаря чему по соотношению [5] возникает усилие Fn, равное:

и превышающее F₂, что обеспечит срез винтов 48, после чего нижняя втулка 19 переместится вверх на величину L₁, герметично перекрывая уплотнительными кольцами 37 и 38 средней ступени 35 доступ бурового раствора из основного сквозного бокового отверстия 15 в среднюю кольцевую камеру 34 и, соответственно, в канал 24 и полость уплотнительного элемента 5 (фиг.4).

При этом благодаря соотношению [6]

F₂>F₁

обеспечивается повышение давления в полости 2 до величины Рп, при котором уплотнительный элемент 5 расширяется до контакта со стенкой ствола скважины 55, обеспечивая герметичное разъединение над- и подпакерной зон.

Одновременно с этим нижний торец 44 благодаря соотношению [3]:

L₁≥L₅+b,

переместившись вверх на величину L₁, окажется выше кольцевой канавки 45 и нижняя ступень 41 освободит предварительно сжатое упруго деформируемое металлическое кольцо 46, которое, расширившись, увеличит свой наружный диаметр до величины, превышающую диаметр D₅ проточки 43. Тем самым нижняя втулка 19 клапанного узла 17 не сможет перемещаться вниз и будет зафиксирована в крайнем верхнем положении, благодаря чему доступ бурового раствора в полость уплотнительного элемента 5 будет прекращен при любых давлениях бурового раствора в обсадной колонне, например при значительных давлениях во время осуществления операций по гидроразрыву пластов (ГРП), что предотвращает порыв уплотнительного элемента 5 и повышает надежность работы заявляемого пакера.

Конструктивное исполнение клапанного узла 17 в виде двух ступенчатых втулок 18 и 19, подвижно установленных на стволе 1, обеспечивает непрерывность операций активации пакера и его пакеровки (расширения уплотнительного элемента 5), осуществляемых одна за другой, в то время как у аналога и прототипа между операцией активации, осуществляемой от воздействия скважинного давления снаружи обсадной колонны, и операцией пакеровки, осуществляемой от давления внутри обсадной колонны путем нагнетания бурового раствора насосом с поверхности, существует некоторый интервал времени, необходимый на время ожидания снятия давления внутри обсадной колонны, время активации пакера и время повышения давления до величины давления пакеровки Рп, что увеличивает временные затраты при работе аналога и прототипа и способствует возникновению аварийной ситуации при потере герметичности уплотнительного элемента.

В случае потери герметичности уплотнительного элемента 5 при спуске заявляемого пакера в скважину, например на участках набора кривизны, где уплотнительный элемент 5 может контактировать со стенкой скважины 55 и в результате абразивного износа из-за трения в нем может образоваться порыв 56, работа заявляемого пакера осуществляется следующим образом.

При нагнетании бурового раствора для активации заявляемого пакера перемещение верхней втулки 18 клапанного узла 17 будет осуществляться штатно, т.е. при достижении давления в полости 2 величины давления активации Ра в соответствии с соотношением [4]:

произойдет срез винтов 47 и втулка 18 переместится вверх на величину L₁, в результате чего средняя ступень 25 расположится над каналом 24, обеспечив его гидравлическую связь через верхнюю кольцевую камеру 23 с полостью 2, благодаря чему буровой раствор начнет поступать в полость уплотнительного элемента 5 (фиг. 3). Однако ввиду порыва 56 уплотнительного элемента 5 (фиг. 5) и потери им герметичности расширение последнего происходить не будет, поскольку буровой раствор из полости 2 будет поступать в ствол скважины 55, что будет немедленно регистрироваться на поверхности отсутствием повышения давления нагнетания бурового раствора до величины Рп и переливом раствора из скважины 55 на поверхность. Эти обстоятельства будут свидетельствовать о негерметичности обсадной колонны, однако какой именно элемент оснастки обсадной колонны является негерметичным, однозначный вывод на основании лишь этих двух фактов сделать невозможно.

Для того, чтобы убедиться в том, что негерметичен именно уплотнительный элемент 5 заявляемого пакера, увеличивают производительность подачи бурового раствора в обсадную колонну, что из-за гидродинамических сопротивлений канала 24 и основного сквозного бокового отверстия 15 значительно увеличит давление в полости 2 и, соответственно, в нижней кольцевой камере 54, доступ раствора в которую осуществляется через несколько дополнительных сквозных боковых отверстий 16, обеспечивающих минимизацию гидродинамических сопротивлений.

В соответствии с соотношением [5]:

произойдет срез винтов 48 и втулка 19, переместившись вверх, штатно перекроет основное сквозное боковое отверстие 15 и зафиксируется в этом положении благодаря расширению предварительно сжатого упруго деформируемого металлического кольца 46.

Тем самым будет прекращен как доступ бурового раствора из полости 2 в полость уплотнительного элемента 5, так и доступ жидкости из скважины 55 через порыв 56 уплотнительного элемента 5 в полость 2, т.е. внутрь обсадной колонны, герметичность которой будет восстановлена.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого пакера обеспечивает по сравнению с прототипом и аналогом:

1. Оптимизацию (упрощение конструкции и повышение надежности) клапанного узла 17 за счет размещения его снаружи ствола 1, благодаря чему обеспечивается возможность увеличения проходного отверстия 2 ствола 1 и его равнопроходность с обсадной колонной, в то время как у аналога и прототипа клапанные узлы размещены в стенках корпусных деталей, что неминуемо увеличивает их толщину и при ограниченном наружном диаметре конструктивно уменьшает диаметр проходного отверстия ствола. Это обстоятельство расширяет эксплуатационные возможности заявляемого пакера при прочих равных условиях с прототипом и аналогом, поскольку через ствол 1 с увеличенным проходным отверстием полости 2 будет возможен спуск насосно-компрессорных труб лифта и насоса увеличенного диаметра и, следовательно, заявляемый пакер обеспечивает возможность повышения дебита эксплуатируемой скважины и выполнения работ по ее ремонту и интенсификации притока более расширенным диапазоном инструментов.

Кроме того, размещение деталей клапанных узлов у аналога и прототипа в стенках корпусных деталей требует минимизации размеров и высокой точности изготовления деталей клапанных узлов, что снижает их технологичность и надежность работы, а также увеличивает затраты на изготовление.

срез2. Сокращение временных затрат при использовании, что связано с непрерывностью выполнения операций активации и пакеровки в заявляемом пакере, в то время как у аналога и прототипа между этими операциями необходим временной промежуток на снижение давления в обсадной колонне, активацию пакера и вторичное повышение давления для пакеровки.

3. Предотвращение аварийной ситуации при образовании порыва 56 уплотнительного элемента 5 во время спуска пакера в скважину, благодаря непрерывности работы клапанного узла 17, обеспечивающего перемещением верхней втулки 18 операцию активации, а перемещением нижней втулки 19 операцию пакеровки. Эти перемещения обеспечиваются непрерывным нагнетанием бурового раствора в обсадную колонну, что предотвращает беспрепятственное перетекание и попадание внутрь полости 2, а, следовательно, и внутрь обсадной колонны жидкости из ствола скважины 55, например, цементного раствора. Тем самым исключаются временные и материальные затраты на разбуривание застывшего столба цементного раствора над цементировочной пробкой по сравнению с аналогом и прототипом.

Кроме того, непрерывность работы клапанного узла 17 обеспечивает оперативное срабатывание верхней втулки 19 и герметичное разъединение полости скважины 55 через негерметичный уплотнительный элемент 5 с полостью 2 заявляемого пакера, что исключает ремонтно-изоляционные работы по восстановлению негерметичности обсадной колонны в интервале установки пакера по сравнению с аналогом и прототипом.

Claims (11)

1. Пакер гидравлический, содержащий ствол в виде трубы, оснащенный верхним и нижним переводниками, уплотнительный элемент из эластомерного материала в виде кольцевого цилиндра с верхним и нижним фигурными концевыми участками, неподвижно установленный на стволе под верхним переводником, элементы фиксации уплотнительного элемента на стволе в виде наружных и внутренних верхнего и нижнего стаканов, установленных на стволе и взаимодействующих с концевыми фигурными участками, противоэкструзионную защиту уплотнительного элемента в виде пластически деформируемых разжимных втулок, установленных в расточках наружных стаканов, внахлест охватывающих верхний и нижний концевые участки уплотнительного элемента и взаимодействующих с его кольцевым цилиндром, основное сквозное боковое отверстие диаметром d, выполненное в стенке ствола под нижним стаканом, клапанный узел, перекрывающий основное сквозное боковое отверстие, канал, выполненный в виде продольного паза по образующей на наружной поверхности ствола и гидравлически связывающий полость уплотнительного элемента с клапанным узлом, уплотнительные кольца, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей, отличающийся тем, что наружные и внутренние верхние и нижние стаканы установлены на стволе без возможности продольного перемещения, в стенке ствола ниже основного сквозного бокового отверстия выполнены несколько дополнительных сквозных боковых отверстий диаметром d, равномерно расположенных по окружности в одной диаметральной плоскости, клапанный узел выполнен в виде взаимодействующих между собой верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок, верхняя из которых установлена на стволе с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит три ступени в виде расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом верхняя ступень с расточкой диаметром D₁ взаимодействует с проточкой, выполненной на нижнем неподвижном стакане, и образует верхнюю кольцевую камеру длиной L₂, расположенную над каналом, выполненным в виде продольного паза на наружной поверхности ствола, средняя ступень длиной L₃ с расточкой диаметром D₂ взаимодействует с проточкой, выполненной на стволе, при этом в расточке выполнена кольцевая канавка, в которой установлено уплотнительное кольцо, в нижней ступени выполнена расточка диаметром D₃ длиной L₄, нижняя втулка установлена на стволе с возможностью перемещения вверх на расстояние L₁ и содержит три ступени в виде одной проточки и двух расточек, последовательно расположенных сверху вниз, при этом на верхней ступени выполнена проточка длиной L₄, установленная в расточке диаметром D₃ нижней ступени верхней втулки, и расточка диаметром D₄ и длиной L₄, образующая среднюю кольцевую камеру, расположенную над проточкой ствола диаметром D₂, средняя ступень длиной L₄ с расточкой диаметром D₂ взаимодействует с проточкой, выполненной на стволе, причем в верхней и нижней частях расточки выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, при этом верхняя кромка уступа расточки расположена под основным сквозным боковым отверстием, а нижняя кромка уступа расточки расположена над дополнительными сквозными боковыми отверстиями, в нижней ступени выполнена расточка диаметром D₅, взаимодействующая с проточкой, выполненной на нижнем переводнике и образующая с ним, а также с проточкой, выполненной на стволе, и торцом средней ступени нижнюю кольцевую камеру, при этом на расстоянии L₅ от нижнего торца ступени на проточке диаметром D₅ нижнего переводника выполнена кольцевая канавка шириной b, в которой установлено предварительно сжатое упруго деформируемое металлическое кольцо, причем верхняя ступень верхней втулки соединена срезным винтом с проточкой диаметром D₁ нижнего наружного стакана, а нижняя ступень нижней втулки соединена срезным штифтом с проточкой диаметром D₅ нижнего переводника, при этом диаметры расточек ступеней верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок связаны между собой соотношением:
2. 
3. а величина перемещения L₁ верхней и нижней подвижных ступенчатых втулок, длина L₂ верхней кольцевой камеры, длина L₃ средней ступени верхней втулки, длина L₄ проточки верхней ступени нижней втулки и расточек нижней ступени верхней втулки и средней ступени нижней втулки, длина расстояния L₅ и ширина b кольцевой канавки, выполненной на проточке диаметром D₅ нижнего переводника, связаны между собой соотношениями:
4. 

   ,
5. 

   ,
6. причем давление активации Ра, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки пакера, диаметры D₁ и D₂ расточек ступеней верхней втулки и усилие среза F₁ винтов, соединяющих верхнюю ступень верхней втулки с проточкой нижнего стакана, связаны между собой соотношением:
7. 

   ,
8. давление пакеровки Рп, гидростатическое давление в стволе пакера Ргп, гидростатическое давление Pгс в скважине в интервале установки пакера, диаметр D₃ проточки, диаметры D₂ и D₅ расточек ступеней нижней втулки и усилие среза F₂ винтов, соединяющих нижнюю ступень нижней втулки с проточкой нижнего переводника, связаны между собой соотношением:
9. 

   ,
10. а усилие среза F₁ винтов, соединяющих верхнюю ступень верхней втулки с проточкой нижнего стакана и усилие среза F₂ винтов, соединяющих нижнюю ступень нижней втулки с проточкой нижнего переводника, связаны между собой соотношением:
11. 

    .

Images